Sistemas inerciales de navegación. Javier Vasquez

Transcripción

1 Sistemas inerciales de navegación Javier Vasquez

2 Sistema inerciales de navegación qué es la navegación inercial? qué son los IMU? Fuentes de error Marcos de referencia Inicialización

3 X(T)i

4 qué es la navegación? La navegación es un conjunto de mètodos utilizados para determinar la posición, velocidad y orientación de un móvil en función del tiempo, respecto a una referencia conocida (sistema de referencia) La navegacion inercial (INS) utiliza un conjunto de sensores que miden la variación de la rotación (giróscopos) y aceleración (acelerómetros) del móvil.

5 Inercial Measurement Unit (IMU) Qué se mide? Giróscopos cambio angular ( ω ) Acelerómetros fuerza específica ( f ) Qué obtenemos? Posición (x,y,z) Velocidad (v,v,v ) x y z Actitud (Ψ, θ,φ)

6 Inercial Measurement Unit (IMU) Las soluciones de obtenidas en un instante dado si, dependen de las obtenidas en el instante de medición inmediatamente anterior si 1 El resultado final previene de integrar las soluciones sucesivas ( dead reckoning ) Consecuencias: el error en las soluciones crece con el tiempo

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8 Sensores Inerciales: giróscopos

9 Sensores Inerciales: acelerómetros Principio de funcionamiento de un acelerómetro: mide el desplazamiento de una masa de prueba respecto a un punto de equilibrio... y en la misma dirección de la gravedad?

10 Arquitectura de los IMU Plataformas fijas respecto a un marco de referencia ( gimbaled ) Plataformas fijas al objeto ( strapdown )

11 Arquitectura de los IMU Gimbaled

12 Arquitectura de los IMU Strapdown

13 Arquitectura de los IMU

14 Arquitectura de los IMU

15 Errores en la medida de los observables

16 Fuentes de error Bias acoplamientos Ruido aleatorio Errores sistemáticos: Componente fija Calibración post-medición e(t) Run-to-run Alineamiento e integración de las observaciones In run Se debería corregir a través de la integración de sensores adicinales

17 Fuentes de error Bias (ba, bg) Término dominante de los errores Componentes estático dinámico

18 Fuentes de error Acoplamientos (Ma, Mg ) Falta de alineamiento entre los ejes de los sensores inerciales respecto ejes del body frame -5-2 Rango: 10 y 10 ppm

19 Fuentes de error Ruido aleatorio (wa, wg) Ruido eléctrico, vibraciones, inestabilidades mecánicas, cuantización de la información, etc

20 Errores en la medida de los observables donde

21 Soluciones: marcos de referencia Un marco de referencia materializa un sistema de referencia (provee un origen y un set de tres ejes coordenados distribuidos en sentido directo) En un marco de referencia se define la posicion y orientacion de un objeto Sistema de referencia inercial: es un sistema de referencia en donde se han postulado la leyes de la física. Estos sistemas no presentan rotaciones ni aceleraciones

22 Soluciones: marcos de referencia Body frame Marco local (NED) Marco centrado, fijo a la Tierra (Earth Centered Earth fixed Frame, ECEF) Marco inercial centrado en la Tierra (Earth Centered Inertial Frame, ECI)

23 Earth Centered Inertial Frame (ECI) Centrado en el centro de masas de la Tierra, eje z apunta hacia el polo norte (fijo respecto a las estrellas, pero no respecto a la Tierra movimiento del polo ), y los ejes x e y, sobre el plano del Ecuador, apuntando al punto vernal y a 90º, respectivamente.

24 Earth Centered Earth fixed Frame, (ECEF) Origen en el centro del elipsoide que modela la superficie de la Tierra, aproximadamente en el centro de masas real, el eje z coincide con del marco ECI, mientras que los ejes x e y, sobre el plano del Ecuador, apuntando a la intersección entre este plano con el meridiano de Greenwich, y a 90º hacia el este, respectivamente

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26 Marco local (north, east, down, NED) También llamado geodético o geográfico Origen en el observador (centro de masa de movil, centro geométrico del sistema de navegación, usuario etc) Convencionalmente se toma la dirección del eje x hacia el norte el eje y 90º hacia el este, y el eje z normal a la superficie del elipsoide de referencia Presenta singularidades en los polos ya que alli no estan definidos ni el norte ni el este

27 Body frame Es el marco en donde se miden los observables (cambio angular y fuerza especifica) El origen coincide con el NED, mientras que el eje x esta definido por la dirección de desplazamiento del móvil, el eje z en dirección de la vertical del lugar (gravedad), y el eje y a 90º en sentido directo respecto al eje x

28 Body frame Desplazamientos angulares: Eje z >>>>>> yaw (Ψ) Eje y >>>>> pitch (Θ) Eje x >>>> roll ( Φ) Body frame > NED

29 yaw (Ψ) >>>>> heading o azimut pitch (Θ) >>>> elevation roll (Φ) >>>> bank

30 Ángulos de Euler NED Body

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32 Inicialización Navegación inercial: la actualización de las soluciones si, dependen de las soluciones del paso (iteración) previo si 1 Fundamental conocer el primer paso en este proceso La inicialización debe estar seguida por un período de calibración

33 Inicialización: posición y velocidad Posición Debe ser inicializado por otro IMU o por GNSS INS ubicado por una zona premuestreada estacionario respecto del ECEF Otro INS o GNSS puede ser usado como referencia en movimiento (promediando los valores de inicialización en un período de tiempo) Velocidad Problemas: pequeñas movimeintos por el viento, movimiento de personas, carga de combustible, vibraciones en gral, etc

34 Inicialización: actitud Debe ser inicializado por una fuente externa Se debe medir la gravedad local y la rotación terrestre Si se usa una plataforma gimbald, los giróscopos deben alinearse con los ejes de body frame (alineación) En reposo En movimiento Leveling (inicializa los ángulos pitch y roll) Heading (nicializa el ángulo yaw), dado por un girocompás otro INS debe dar la referencia

35 Conceptos importantes Observables w, f Soluciones X, v, ā El resultado final previene de integrar las soluciones sucesivas Marcos de referencia ( en qué marco están las soluciones?)

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